SOUTĚŽNÍ PŘEHLÍDKA STUDENTSKÝCH A DOKTORSKÝCH PRACÍ FST 2007 PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ Jaroslav Štěch ABSTRAKT Úkolem bylo zjistit numerickou CFD simulací, jak se mění účinnost rozváděcího kola a hmotnostní tok vodní páry v závislosti na velikosti přivření regulační mezistěny u parní turbíny malého výkonu. Dále se měly uvedené závislosti zjistit také u celého stupně parní turbíny. Regulační mezistěna je vytvořena rozdělením rozváděcího kola u nízkotlakého dílu parní turbíny. Průtočný průřez se mění natáčením přední oddělené části profilů lopatek rozváděcího kola. Používá se pro změnu tlaku páry v regulovaném odběru nízkotlakého dílu parní turbíny. Použití mezistěny je vhodné pro nejnižší tlaky a velké objemy páry. Výsledky práce budou předány k dalšímu zpracování do konstrukčních kanceláří ŠKODA POWER a.s. KLÍČOVÁ SLOVA účinnost, hmotnostní tok, přivření, rozváděcí kolo, stupeň parní turbíny. ÚVOD Hlavním úkolem této práce bylo zjistit pomocí numerické simulace CFD v programu Fluent 6.2, jak se mění účinnost rozváděcího kola parní turbíny a hmotnostní tok vodní páry v závislosti na velikosti přivření regulační mezistěny. Regulační mezistěna je vytvořena rozdělením rozváděcího kola u nízkotlakého dílu parní turbíny. Model, výpočtové sítě, postup řešení i vlastní výsledky jsou prostřednictvím tabulek a grafů prezentovány na následujících stránkách. 2. CO JE TO STUPEŇ PARNÍ TURBÍNY? Každá parní turbína obsahuje několik stupňů. Stupeň parní turbíny je tvořen jednou řadou rozváděcích a jednou řadou oběžných lopatek. Rozváděcí lopatky mají za úkol usměrnit proud páry na oběžné lopatky a přeměnit část, nebo celou tlakovou energii páry v energii kinetickou, která se následně zpracuje v mezilopatkovém kanálu oběžných lopatek. ROZVÁDĚCÍ KOLO OBĚŽNÉ KOLO Obrázek : Stupeň parní turbíny
3. ROZVÁDĚCÍ KOLO 3. Geometrie a výpočtová síť Model pro výpočet je tvořen třemi statorovými lopatkami, obr. 2. Dělení lopatkové mříže je provedeno v polovině lopatkového kanálu. Tím vzniknou identické segmenty, které lze podle potřeb libovolně kopírovat. Délka vstupního a výstupního úseku výpočtové sítě se shoduje s délkou jedné rozteče. Výpočty byly prováděny pro různá přivření mezistěny: 0, 2, 4, 6, 8, 0 a 2 mm. Přivření o 6 mm je patrné z obr. 3. Obrázek 2: Výpočtový model plně otevřeného RK Obrázek 3: Výpočtový model přivřeného RK (6 mm) Nestrukturovaná výpočtová síť se nachází jen u odtokových hran rozváděcích lopatek (obr. 4), pro zbytek modelu byla použita síť strukturovaná, což je patrné z obr. 5. Obrázek 4: Odtoková hrana rozváděcí lopatky Obrázek 5: Náběžná hrana rozváděcí lopatky 3.2 Numerické řešení proudění Pracovní medium Výpočtový systém Fluent 6.2 podporuje model reálné páry, ale výpočet s tímto modelem by trval příliš dlouho. Tedy pro zjednodušení a zrychlení výpočtu se použilo náhradní médium charakteru ideálního plynu, které v oblasti expanze s dostatečnou přesností nahrazuje reálnou páru. Parametry páry na vstupu a výstupu z rozváděcího kola (tlak a teplota) a hmotnostní průtok páry byly dodány společností ŠKODA POWER a.s. Bylo počítáno stacionárně, řešičem Coupled s formulací Explicit, s bezodrazovou podmínkou na výstupu a s druhými řády přesnosti. Spalart Allmaras byl zvolen jako model turbulence.
3.3 Okrajové podmínky Ze zadaných hodnot (m vstup, p vstup, p výstup ) bylo možné sestavit dvě dvojice okrajových podmínek: hmotnostní tok na vstupu a tlakový výstup tlakový vstup a výstup Výhoda hmotnostního toku na vstupu a tlakového výstupu spočívala v tom, že byly zadané přesné definice vstupu a výstupu. Nevýhody byly dvě: výpočet konvergoval pomalu a hodnoty zbytkových residuí měly vysoké hodnoty. U tlakového vstupu a výstupu zbytková residua měly nižší hodnoty než u předchozí varianty okrajové podmínky. I konvergence probíhala rychleji. Tedy veškeré varianty posunutí byly počítány s tlakovým vstupem a výstupem. Obrázek 6: Nastavení okrajových podmínek na výpočtovém modelu 3.4 Vyhodnocení Během celého výpočtu byly monitorovány fyzikální veličiny potřebné pro výpočet účinností na rovině 0 a rovině, které byly umístěny 0 mm před a 0 mm za rozváděcími lopatkami. Hmotnostní toky se sledovaly na vstupu a výstupu výpočtové geometrie (obr. 7). Obrázek 7: Místa měření fyzikálních veličin
Účinnost byla stanovena na základě vztahů viz. []: a) pomocí tlaků : η RK p p = p c p p 0c κ κ κ κ () c b) pomocí rychlostí: η RK c = ; kde 2 2h + c 0 2 0 κ κ p κ 0 p h 0 =.. κ ρ (2) 0 p0 Jak je patrno z grafu na obr. 8, hmotnostní tok páry klesá se zvětšujícím se přivřením mezistěny. To se projevuje i na účinnosti, viz. obr. 9. Nutno podotknout, že veškeré hodnoty na osách v grafech jsou hodnoty poměrné. 45 40 35 30 hmot.tok [t/h] 25 20 5 0 05 00 00 Obrázek 8: Závislost hmot. toku na přivření mezistěny,05 0, účinnost [] 0,9 účinnost z tlaků účinnost z rychlostí 0, 0,8 0, 00 Obrázek 9: Závislost účinnosti na přivření mezistěny
Výše uvedené závislosti se vyhodnotily ze stacionárního výpočtu, neboli dané proudění se neměnilo s časem. Podrobnějším prozkoumáním proudění v kanále se ukázalo, že stacionární výpočet byl nepostačující. Hlavní kritérium byla nesrovnalost hmotnostních toků na vstupu a výstupu z výpočtové geometrie. S největší pravděpodobností danou nesrovnalost způsobilo nadzvukové proudění. Tudíž všechny další výpočty se počítaly nestacionárně, závisející na čase. Jelikož nestacionární výpočet je mnohonásobně časově náročnější, použila se pro výpočet jen jedna rozváděcí lopatka. Rozdíl mezi oběma výpočty je patrný na obr. 0 a. Na těchto obrázcích jsou znázorněny kontury celkového tlaku. Kontury se zdají být stejné, ale hodnoty nikoliv. Celkový tlak nejlépe reprezentuje ztráty v proudění páry mezilopatkovým kanálem. Ty vzrůstají se snižujícím se celkovým tlakem. To je nejvíce patrné za pohyblivou částí regulační mezistěny. Obrázek 0: Kontury celkového tlaku stacionární výpočet Obrázek : Kontury celkového tlaku nestacionární výpočet
4. STUPEŇ PARNÍ TURBÍNY Další část studie měla za stanovit závislosti účinnosti a hmotnostního toku páry celý stupněm parní turbíny. Výpočtový model je tvořen jednou statorovou a dvěma oběžnými lopatkami, viz. obr. 2. Veškeré varianty posunutí mezistěny měly pro výpočet nastaveny okrajové podmínky hmotnostní tok na vstupu a tlakový výstup. Ty se již shodovaly se zadáním. Stacionární výpočet se použil jen jako předvýpočet (pro urychlení konvergence u výpočtu nestacionárního). Obrázek 2: Výpočtový model stupněm parní turbíny 4. Vyhodnocení Při vyhodnocování závislostí stupně byl postup opačný, než u rozváděcího kola. Jelikož se nastavil hmotnostní tok na vstupu, tak se sledoval statický tlak před stupněm. Se zvětšujícím se přivřením mezistěny statický tlak roste, viz. obr. 3. Závislost účinnosti na velikosti přivření mezistěny je na obr. 4. 340000 330000 320000 30000 statický tlak [Pa] 300000 2000 2000 2000 2000 250000 240000 00 Obr. 3: Závislost statického tlaku na velikosti otevření mezistěny
,02 0,98 0,96 0,94 účinnost [] 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 00 Obrázek 4: Závislost účinnosti na přivření mezistěny 5. ZÁVĚR Úkolem této práce bylo zjistit, jak se mění účinnost rozváděcího kola parní turbíny a hmotnostní tok páry v závislosti na velikosti přivření regulační mezistěny. Podle očekávání bylo potvrzeno, že se zvětšujícím se přivřením regulační mezistěny účinnost a hmotnostní tok klesá. Věrohodných výsledků se dosáhlo nestacionárním výpočtem, stacionární nebyl dostatečně přesný, neboť v mezilopatkovém kanále nastalo nadzvukové proudění. PODĚKOVÁNÍ Autor příspěvku děkuje za finanční podporu MPO - grant FT-TA/0. LITERATURA [] Pacák A.: Přetlakový stupeň VT dílu parní turbíny I, Výzkumná zpráva VZTP 09 [2] Štěch, J.; Hoznedl, M.; Pacák, A.; Tajč, L.; Linhart, J. Proudění turbínovým stupněm regulační mezistěnou, Výzkumná zpráva KKE-09-05 [3] Štěch, J.; Hoznedl, M.; Pacák, A.; Tajč, L.; Linhart, J. Proudění turbínovým stupněm regulační mezistěnou. In Fluent 2006. Praha : TechSoft Engineering, 2006. s. 239-242. ISBN -239-72-. [4] Manuál Fluent 6.2 Jaroslav Štěch, Brněnská 3, 323 00 Plzeň, email: jstech@students.zcu.cz